Volume18, No2, May 2014, pp. 67-78
1經濟部中央地質調查所 助理 收到日期:民國 102 年 08 月 09 日
2經濟部中央地質調查所 科長 修改日期:民國 102 年 11 月 02 日
3經濟部中央地質調查所 技士 接受日期:民國 102 年 11 月 14 日
4中國文化大學地質學系 助理教授
5中央研究院應用科學中心 研究助理
＊通訊作者, 電話: 02-29462793 ext 261, E-mail: [email protected]
高解析度空載光達資料結合地形開闊度分析於構造 地形特徵之應用
陳奕中
1侯進雄
2*謝有忠
3陳柔妃
4吳若穎
5摘 要
地形開闊度分析之地形計測方法能突顯地形角度變化強烈處，是分析地形資訊的利器。本研究利用1 米空載光達測製數值高程模型，藉由地形開闊度計算得到正與負值兩種結果，其正值能反映山脊線、崩 崖、階地，負值則為河谷、水系與蝕溝分布等構造地形，並進一步由紅色立體投影圖同時展現正負兩地 形開闊度之凸凹特性，以判釋出草嶺地區之微地形特徵。最後，由負地形開闊度(灰階)搭配坡度分析(紅 階)細部判釋草嶺山崩之崩塌面蝕溝於不同岩層分布，並估算出 1999-2011 年期間卓蘭層及錦水頁岩基岩 下切侵蝕速率分別為平均每年下切31-39 公分、54- 89 公分，顯示錦水頁岩抗蝕力較弱。
關鍵詞：開闊度分析、空載光逹、數值高程模型、地形特徵、草嶺山崩
1. 前言
近幾十年來，數值地形模型之應用與日俱增，
且對於水文、地形及生態學等領域已成為不可或缺 的重要資料，過去數值地形模型主要利用地形圖資 料、野外實測、航空攝影測量、衛星遙測影像等方 式測製。臺灣過去完整數值地形資料主要有 1986 年林務局農林航空測量所與2005 年內政部同以航 空攝影測量測製解析度40 米及 5 米解析度之規則 網格資料，然現今於地質、坡地防災、林業資源等 調查分析工作，對於數值地形之精度與解析度甚達 公分級之要求，過去測製成果漸無法應付所需，為 了克服精度不足的問題，因而開始有光達技術之應 用。2009 年莫拉克風災導致臺灣南部、中部與東 部地區嚴重之山崩、土石流與淹水災害，為提供災 區精確地形資訊以進行地質因子判釋及特性分 析，因此經濟部中央地質調查所後續執行「國土保 育之地質敏感區調查分析計畫」運用空載光達技術 測製出全臺範圍最廣且資料品質最佳之 1 米解析 度之數值高程模型。
利用地形計測學(Geomorphometry)以計量指 標描述地表形貌，並結合數學統計與影像分析技術 已被廣泛應用於各領域，然光達數值高程模型提供 了高精度之正高資訊，該資訊能反應細部地形之高 程變化，因此過去數值高程模型常進一步藉由坡向 (aspect)、等高線(contour)、曲率(curvature) 、日照 陰影(hillshade)、坡度(slope)等方法計算展示不同之 地形資訊，該技術方法在山崩、構造地形、海岸變 遷、火山等地質地形學研究上已有諸多成果(Kondo
et al., 2008; Kasai et al., 2009; Oskin et al., 2012; 陳
映璇等，2009; 劉治中等，2010; 林慶偉，2012; 詹 瑜璋，2012; 謝有忠，2012)。地形開闊度分析計測之使用，導因於近年來數 值高程模型的廣泛應用，利用單位規則網格值之重 新計算出各網格於八個方位坡度資訊，量化出新的 地形參數(Yokoyama et al., 2002)，該參數能嶄露地 形上的凸凹特徵，並能萃取其構造線形，過去有潘 彥男(2005)利用臺灣暨有 40 米數值地形模型運用 地形開闊度分析輔以電腦自動化萃取出臺灣本島 山脊線之線形。另外亦有火山研究之案例，如Prima
and Yoshida, (2010)利用地形開闊度呈現出火山錐 口之形貌，並清楚呈現過去火山岩屑流及熔岩流之 遺跡。此外，Chiba et al. (2008)利用地形開闊度分 析呈現地形凸凹特性及坡度分析之陡峭程度，提出 紅色立體投影圖的地形表現方法，強化了開闊度分 析於不同尺度地形特徵之應用，而Lin et al. (2013) 分別利用不同解析度之航測及空載光達數值地 形，比較各種影像呈現方法之優劣，指出紅色立體 投影圖技術利用於空載光達資料，能精確且快速判 釋出斷層、侵蝕溝等微地形構造，並強調該方法未 來對地質調查研究扮演相當重要關鍵的角色。
本研究利用高解析度 1 米空載光達數值高程 模型，運用開闊度分析之計測方法結合坡度分析產 製紅色立體投影圖，針對草嶺地區進行地形特徵判 釋。過去已有研究利用空載光達資料針對蝕溝進行 區域判釋、剖面資訊萃取、量體變化等研究(James
et al., 2006; Perroy et al., 2010)，草嶺山崩之崩塌面
於不同時期航照發現有逐年侵蝕下切出多處蝕溝 的痕跡，因此後續將判釋位處該區崩塌面主蝕溝，並根據判釋成果做進一步探討。
2. 研究區域
2.1 地理位置與地質背景
草嶺舊名番坪坑，位於雲林縣境內古坑鄉東南 方，亦處雲林、嘉義、南投三縣交界(圖 1)。該區 有清水溪東西橫切，以致地形坡度陡峭，海拔高約 400-1400 米，草嶺山崩位於濁水溪支流清水溪之中 上游，北起草嶺山(亦稱窟沓山，海拔 1234 米)東 西向稜線，南至兩公里清水溪河床，崩坍影響範圍 達7 平方公里，該區有春秋斷崖、斷魂谷特殊之地 形景觀。
草嶺山崩為一典型順向坡地形，其地質構造分 布如圖2，岩層受構造作用產生摺皺，其東西翼分 別有草嶺背斜與九芎坪向斜之地質構造，該區及其 附近出露之地層分布由老至新分別為上新世的大 窩砂岩段(厚層及巨層泥質砂岩、間夾薄層頁岩或 泥岩)、錦水頁岩(巨層頁岩或泥岩，偶夾薄層砂
岩)，及上新世至更新世的卓蘭層(厚層泥質砂岩，
間夾頁岩或泥岩)，其中卓蘭層與錦水頁岩為草嶺 山崩主要地層，且卓蘭層為過去歷次山崩之崩塌土 石來源(劉桓吉等, 2004)。
2.2 草嶺山崩事件概述
草嶺地區經歷多次大規模山崩，誘發之因素包 括地震、颱風和豪雨等，主要發生年代分別為西元 1862、1941、1942、1979、1999 年，其中 1999 年 的九二一集集大地震使草嶺地區再度發生大規模 岩層滑動與土石崩落，使得該崩塌面形成一大範圍 的裸露面(圖 3a)。此外，自 2001 年起，因地層累 積地下水湧出與地表逕流於該崩塌面不斷沖刷，其 崩塌面開始因河流侵蝕作用下切出蝕溝的痕跡(圖 3b)，至 2011 年其岩盤侵蝕下切之蝕溝發育更為顯 著，顯示蝕溝有逐年下切較深之現象(圖 3c)，因此 本研究在進行蝕溝分析時，依據2001 和 2011 年航 照正射影像，判釋出主要位於滑動面的蝕溝，藉此 了解自1999 年山崩事件後，本研究區域的地表侵 蝕作用及河流下切速率。
3. 研究方法
3.1 空載光達與數值地形資料 簡介
光達(Light Detection And Ranging, LiDAR)是 一種利用雷射光束主動式發射與接收過程進行掃 瞄式測距，以快速且精確獲取高程資料的一種光學 遙測技術。近幾年有利用飛行載具搭載雷射掃描 儀，並結合全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)與慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS) 技 術 ， 加 上 慣 性 量 測 單 元 (Inertial Measurement Unit, IMU) 記 錄 飛 航 時 的 俯 仰 角 (pitch)、滾轉角(roll)、偏流角(yaw)三項飛機姿態方 位參數，此即為空載光達(Airborne LiDAR)，根據 雷 射 掃 描 接 收 回 來 的 點 雲 資 料 經 飛 行 載 具 上 GPS、IMU 與地面 GPS 基站資料解算後，最後便 可獲取高解析度、高精度、高密度的地面三維坐標
圖1 研究區域地理位置圖。(紅色範圍為草嶺山崩區)
圖2 草嶺地區地質圖(修改自劉桓吉等，2004)
(a)1999 年
(b) 2001 年
(c)2011 年
圖3 草嶺山崩不同時期正射影像圖(圖 a 至圖 c)
空載光達所獲取經解算資料進一步經由內差 計算成網格式數值地表模型(Digital Surface Model, DSM) 及 去 除 植 被 及 建 物 後 的 數 值 高 程 模 型 (Digital Elevation Model, DEM)，本研究採用資料來 源為經濟部中央地質調查所執行之施政計畫「國土 保育之地質敏感區調查分析計畫」於 2011 年 7-9 月期間以空載光達技術測製草嶺地區的數值地形 資料，其該區作業範圍掃瞄參數如表1。
表1 草嶺地區作業範圍掃瞄參數表
儀器型號 ALTM 3070
飛行載具 直升機
航高(m) 1600
航速(KTS) 70
掃瞄角度(deg.) ±20
雷射脈衝率(KHz) 70
重疊帶寬(%) 60
點雲密度(點/平方米)以上 3.2
3.2 地形開闊度分析
地形開闊度(Topographic openness)為地形上 的凸(convexity)與凹(concavity)兩特性於地表形貌 的表現概念(Yokoyama et al., 2002)，其分析方法主 要是利用地表水平距離與高程關係角度進行計
算，目的在呈現不規則地形面上各位置之坡度資 訊，以描述區域內之地形特徵。其原理主要是根據 地形上之直視性(line-of-sight)，計算各位置於八方 位等距離的天頂角與天底角之角度和平均值。如圖 4a 所示，以所求 A 點為圓心，L 距離為半徑沿各 方位角
D(D=0、45、90、135、180、225、270、315)
找出最大值與最小值，並計算出各方位角坡度D
L及D
L，並由式(1)、(2)推算天頂角(D
L) 與天底角(D
L)。D L 90 DL (1)
D L 90 DL (2) 最後將各方向角度作平均，如式(3)、(4)，得 到正(positive,
L)與負(negative,
L)開闊度兩 種結果，此即分別代表地形的凸與凹特性，以圖 4b 為例，紅圓點為圓心向周圍進行計算，其半徑 長範圍內各方位相對於地勢較高或較低處與紅圓 點垂直方向之角度即為該方位之地形開闊度，最後 計算出之
L值若越高，
L值越低，反之
L值 越高。0 45 315
( ... ) / 8
L L L L
(3)
0 45 315
( ... ) / 8
L L L L
(4)
圖4 (a)開闊度分析原理示意圖。(b)開闊度分析概念模型
此外，將正與負之結果進行相減後除以二的計 算，將得到同時擁有該兩開闊度特性的地形參數
I，如(5)式所示，並利用地理資訊系統(GIS)中 3D
Analyst 的坡度分析(紅階表示)結果套疊於地形參 數I(灰階表示)，此即為紅色立體投影圖(Red Relief
Image Map, RRIM)視覺化呈現技術(Chiba et al., 2008)。由於人眼對於紅色之辨識較具敏感度，該 方法呈現之地圖即以紅色描述坡度，並同時展現地 形開闊度凸凹特性，使地形視覺化呈現上產生三維 立體化的效果，此多項特性之紅色立體投影圖相對 於單一開闊度分析之應用上，強化了不同尺度地形 特徵的判釋效果。( L L) / 2
I (5)
4. 結果與討論
4.1 不同時期草嶺數值地形之 比較
圖5a、5b 分別為林務局農林航空測量所與內 政部測製之40 米及 5 米解析度草嶺地區數值地形 模型(Digital Terrain Model, DTM)以日照陰影圖(光 源方位角 315 度，地面水平仰角 45 度)呈現之成 果，40 米數值地形模型的呈現，其解析度品質較 差，對於該區較細微之地形特徵應用無顯著的幫 助，而5 米的數值地形模型則局部地反應草嶺山崩 的地形，該成果為近幾年來國內應用最廣泛之數值 地形資料，圖5c、5d 分別為本研究利用經濟部中 央地質調查所於 2011 年以空載光達測製解析度 1 米之數值地表模型與數值高程模型，其中由地面點 分類產生之數值高程模型，進一步與5 米數值地形 模型比較草嶺山崩崩塌面範圍區域(圖 6a、6b)，可 發現本研究資料對於細部之地形特徵呈現效果相 當清楚，其中尤以蝕溝特徵更為顯著，而5 米地形 資料則否，顯示本成果有去除植被後直接反應地面 高程的特性及高精度的正高資訊，該資料亦是目前 國內精度與解析度最佳之數值地形模型。
(a)農航所航測 40 米 DTM
(b)內政部航測 5 米 DTM
(c)地調所空載光達 1 米 DSM
(d)地調所空載光達 1 米 DEM
圖5 不同時期之草嶺地區數值地形模型(圖 a 至圖 d)
(a)內政部航測 5 米 DTM
(b)地調所空載光達 1 米 DEM
圖 6 不同解析度數值地形於草嶺山崩崩塌面之比 較(圖 a 至圖 b)
4.2 地形開闊度分析之應用
本研究利用 1 米數值高程模型進行地形開闊 度分析之運算，運算過程主要設定各資料網格於各 方向之指定計算半徑長為1000 米，以移動網格方 式計算出各位置正與負的地形開度度值，該成果特 別強調地表凸凹形狀，以突顯出地形上的線形特 徵，此種藉由角度關係表示區域性構造地形之方法 將有助於地質地形學研究。圖7a 為地形開闊度分 析正值之結果，在空間分布中表示往地形表面高程 相對較高之開闊度，視覺化地圖呈現上其灰階梯度 中越趨近明亮色階正值越高，並能萃取出山脊線、
崩崖、階地等地形特徵，負值(圖 7b)相對於正值之 開闊度則反之，該參數以呈現峽谷、河谷、裂隙、
蝕溝與水系分布等地形上凹陷部分。
坡度分析能展現地形的陡峭程度，是過去用於 判釋地表所有地形特徵相當好的工具，如斷層、崩 崖或谷地等，由於凸凹形狀是象徵地表不規則地貌
重要的指標，因此重新計算正負地形開闊度的地形
參數
I 與坡度分析之結合，能相互強化對方的優
點，並分別利用灰階與紅階色調結合之紅色立體投 影圖，展現出有別於以往地形計測方法的三維立體 地貌，其紅階梯度越趨紅色表示坡度越陡，反之越 緩，灰階梯度越趨亮白色代表地形開闊度值越正，
越趨於暗黑色則越負，該成果亦克服以往常用之地 形日照陰影分析因光源方向不同造成陰影覆蓋之 缺點(如圖 5)，有效突顯地形角度變化強烈處，如 稜、谷部分。圖8 為本研究草嶺地區紅色立體投影 圖，其相對於正與負地形開闊度不僅強化了地形視 覺化呈現效果，在構造地形判釋上亦結合該兩參數 之特點。此外，本成果中展現出細部的地形資訊，
對於地表侵蝕作用、大規模山崩發生機制與河道變 遷等地形演育之釐清上更是提供相當好的參考，後 續工作將應用該方法判釋草嶺山崩崩塌面蝕溝於 卓蘭層與錦水頁岩兩岩層之位置，進而探討基岩下 切侵蝕速率。
(a)正地形開闊度
(b)負地形開闊度
圖7 草嶺地區地形開闊度分析之結果
4.3 基岩下切侵蝕速率結果
先前結果顯示應用 1 米空載光達數值高程模 型搭配紅色立體投影圖技術，成功地將過去地形視 覺表現方法不易辨識的地形特徵有效呈現，因此本 節利用負地形開闊度成果判釋草嶺山崩崩塌面之 蝕溝特徵，並同以紅色階之坡度分析成果套疊，加 強負向開闊度視覺化呈現形貌。從圖9 可清楚辨識 出崩塌面上白色凸起部分，此即為受河流侵蝕下切 之蝕溝分布，本研究進一步根據該崩塌面上不同之 岩性(岩性交界如圖 9 黃色虛線部分)，判釋出 5 條 位於卓蘭層主蝕溝(A-E)，其中 A、B、C 蝕溝向下 游持續侵蝕錦水頁岩至清水溪河道，D、E 蝕溝最 後共同匯流於 C 蝕溝上。本研究根據判釋出之蝕 溝，後續每50 米之區間切一橫剖面，各蝕溝剖面 於地表上相對最高與最低點之差值即為下切深 度，河道口兩側最遠距離則為河道寬度。
表2 為本研究根據 2011 年空載光達資料計算 出之成果，E 蝕溝於本研究因未完全坐落於該崩塌 面上，因此暫不探討。坡面上卓蘭層之蝕溝(A-D) 平 均 下 切 深 度 介 於 3.67-4.68 米 ， 河 道 寬 為 16.36-18.97 米，下游錦水頁岩上之蝕溝(A-C)平均 下切深度介於6.43-10.73 米，河道寬為 19.75-31.59 米，最後根據基岩下切深度，假設1999 年山崩事
件 後 之 坡 面 為 侵 蝕 基 準 面 ， 可 進 一 步 推 算 出 1999-2011 年期間基岩下切侵蝕速率分別為卓蘭層 每年31-39 公分，錦水頁岩則為 54-89 公分。
高解析度空載光達資料於基岩地表侵蝕作用 可得到較精確的實測結果，不同岩性基岩下切侵蝕 之深度與河道寬度，在本研究間接反映了岩體強 度。Sklar and Dietrich, (2001)將基岩上不同岩體樣 本進行高抗壓強度(Tensile Strength)實驗，由分析 之岩體力學參數指出岩體強度控制基岩下切侵蝕 程度，強度越強抗蝕力強，反之則抗蝕弱，經濟部 中央地質調查所(2004)過去曾針對草嶺地區現地 進行岩體強度試驗，其中卓蘭層之岩性組合主要以 細粒至粉砂質層狀砂岩為主，錦水頁岩則多岩質較 弱的深色頁岩，整體岩石單壓強度卓蘭層(約 400 kg/cm2)明顯大於錦水頁岩(約 50~100 kg/cm2)，本 研究兩地層整體下切深度與河道寬度比較，錦水頁 岩皆比卓蘭層深且寬，顯示錦水頁岩之抗蝕力確實 較弱。此外，A-D 蝕溝於卓蘭層與錦水頁岩交界處 其坡度介於 32.45-56.12 度之間，錦水頁岩出露之 頭部顯得相當陡峭，研判該區過去可能長期受河流 下切造成侵蝕基準面逐年降低，以致該區蝕溝河道 頭部漸受向源侵蝕影響，加上錦水頁岩本身抗蝕力 較差，側蝕作用旺盛，使其河道深度及寬度明顯大 於卓蘭層。
圖8 草嶺地區紅色立體投影圖
圖9 不同岩性蝕溝之判釋暨剖面取樣分布圖。(左上角為蝕溝剖面寬度及深度示意圖) 表2 蝕溝於不同岩性基岩下切侵蝕成果
點號 A B C D E
卓蘭層
剖面取樣數 16 16 16 16 11
最大值 ΔH 7.99 5.94 7.52 8.05 9.84
W 25.88 29.87 28.89 25.85 33.63
最小值 ΔH 2.72 1.77 1.88 2.25 2.46
W 13.12 9.60 10.91 8.46 16.87
平均值 ΔH 4.62 3.67 4.45 4.68 6.36
W 18.97 17.12 17.39 16.36 21.90 1999-2011 平均下切速率 0.39 0.31 0.37 0.39 0.53
錦水頁岩
剖面取樣數 17 18 19 3 8
最大值 ΔH 10.13 18.69 14.92 12.90 7.62 W 31.83 37.52 36.68 27.53 32.91
最小值 ΔH 3.54 5.01 1.71 5.49 2.69
W 10.93 22.71 12.08 22.72 11.77
平均值 ΔH 6.43 10.73 7.38 9.15 5.74
W 19.75 31.59 22.02 25.75 20.15 1999-2011 平均下切速率 0.54 0.89 0.62 0.76 0.48
ΔH:基岩下切深度(米) W:河道寬度(米) 平均下切速率:米/年
5. 結論與建議
空載光達的發展於目前所有遙測技術中，提供 了廣域區域測製速度最快、精度與解析度最佳的資 料，本研究利用測製出的1 米解析度空載光達數值 高程模型，獲取其高精度的正高資訊，進一步精確 地呈現了草嶺山崩崩塌面上的蝕溝特徵，以及提供 該區基岩下切速率實測值之參考。
地形開闊度分析能有效突顯出不規則地形上 角度變化強烈處，正值之特性能明顯將山脊線、崩 崖、階地等地形特徵表現出來，負向值則為谷地 形、水系與蝕溝分布。此外，紅色立體投影兼備正 負地形開闊度與坡度之優點，強化不同尺度下地形 地貌特徵之判釋，其中對於細微構造地形更提供極 佳之應用。
負地形開闊度搭配紅色階坡度之視覺化呈現 方法，可客觀快速的判釋出崩塌面於不同岩性分布 之蝕溝正確位置，基岩下切侵蝕之計算得，崩塌面 卓 蘭 層 下 切 深 度 介 於 3.67-4.68 米 ， 河 道 寬 為 16.36-18.97 米，錦水頁岩則介於 6.43-10.73 米，河 道寬為 19.75-31.59 米，根據該成果最後推算出 1999-2011 這 12 年間基岩下切侵蝕速率為分別為 卓蘭層每年下切 31-39 公分，錦水頁岩 54-89 公 分，根據該結果間接反應錦水頁岩之抗蝕力較卓蘭 層弱。
本研究利用空載光達資料進行微地形之探討 得到相當顯著之成果，然研究過程主要透過該資料 進行人為計測，建議後續研究加入野外地質調查暨 測量工作進行比對及驗證，該技術未來之利用將會 是國內各領域應用的利器。
誌謝
本研究承經濟部中央地質調查所提供2011 年 測 製 之 草 嶺 地 區 空 載 光 達 資 料( 計 畫 編 號 : 100-5826901000-7-D3-01)與軟硬體設備，及該單位 環工組光達科全體同仁於工作上的支持，本研究得 以順利完成，深表感謝。
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1 Assistant, Central Geological Survey, MOEA Received Date: Aug. 09, 2013 2 Chief of Plannung Section, Central Geological Survey, MOEA Revised Date: Nov. 02, 2013 3 Geologist, Central Geological Survey, MOEA Accepted Date: Nov. 14, 2013 4 Assistant Professor, Department of Geology, Chinese Culture University
5 Research Assistant, Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica
*.Corresponding Author, Phone: 886-2-29462793 ext 261, E-mail: [email protected]
Application of high-resolution LiDAR DEM for extracting terrain openness: A case study in the Tsaoling landslide area
Yi-Zhong Chen 1 Chin-Shyong Hou 2* Yu-Chung Hsieh 3 Rou-Fei Chen 4 Ruo-Ying Wu 5
ABSTRACT
Openness methods can visualize the topographic character of angular measure between surface relief and horizontal distance; it is a useful tool for determining geomorphic fractures. We adopted the high-resolution Airborne LiDAR (Light Detection And Ranging) DEM to obtain the positive and negative values. Positive shows reflect ridge, scarp and terrace, whereas negative describe valley, river and gully. Red Relief Image Map (RRIM) can identify fine-scale geomorphic change when it is combines the positive and negative values. Many of the characteristics that obtained from the negative calculation (marked in gray-scale) and an analysis of stacked slope (marked in red-scale), to interpret the position of eroded gullies in the Tsaoling sliding area. In this study, we investigated the distribution of erosion gullies and calculated the bedrock incision rate for the Cholan Formation and Chishui Shale for 1999 and 2011, which were 31 to 39 cm/year and 54 to 89 cm/year on average, respectively. These results indicated that the Cholan Formation has a higher resistance to erosion than the Chishui Shale, where the erosion was more serious.
